演題：Part of speech knowledge of Japanese EFL learners

 

日時：2022年2月28日(月)13:30-14:30

 

会場：Zoomによるオンライン講演会

 

講師：石井　友子（明治学院大学　准教授）

 

対象：学部生、大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法：参加無料、事前申込制

 

事前申込先：Https://forms.office.com/r/HVyFfNzHjD

 

申込締切：2022年2月27日(日)　17：00

 

主催：英語教育センター

 

問合せ：早稲田大学 英語教育センター

ラルフ・ローズ

[email protected]

 

 

演題：何が見えるか？何をするか？～ある有機化学者の自由な発想

 

日時：2022年3月3日(木)16：30－17：30

 

会場：早稲田大学　西早稲田キャンパス　55号館1階大会議室

 

講師：佐竹　彰治（東京理科大学　教授）

 

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法：入場無料、直接会場へお越しください。

 

主催：先進理工学研究科　応用化学専攻

 

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL：03-5286-3000

 

遷移金属酸化物の近藤効果を初めて実証

～電子相関物性の設計・探索の新たなプラットホームを開拓～

大阪府立大学（学長：辰巳砂 昌弘）大学院 工学研究科 播木 敦 助教、博士前期課程1年 加瀬林 啓人さん、早稲田大学 理工学術院 溝川 貴司 教授、京都大学 化学研究所 島川 祐一 教授、広島大学 田中 新 准教授らは、マックスプランク研究所 Liu Hao Tjeng 教授、ウィーン工科大学 Jan Kuneš 教授らのグループと共同で、銅（Cu）とルテニウム（Ru）からなる酸化物（CaCu₃Ru₄O₁₂）のX線光電子分光（注1）を測定し、独自に開発した計算パッケージを用いて、高精度な理論解析を行いました。

その結果、CaCu₃Ru₄O₁₂では、遷移金属の酸化物ではほとんど報告例がない近藤効果（注2）が実現していることを初めて実証しました（図1）。近藤効果は、電気抵抗がゼロになる超伝導現象や電子の質量が有効的に異常増大する重い電子現象など、様々な量子物性の発現メカニズムと密接な繋がりがあります。今回の結果は、近藤効果が実現する遷移金属酸化物の物質群（四重ペロブスカイト遷移金属酸化物、注3）の存在を示唆するもので、更なる物質合成を進めることで、近藤効果に由来する新奇物性の発見が期待されます。

なお、この成果は、米国物理学会が刊行する学術雑誌「Physical Review X」にて、1月27日（日本時間）にオンライン掲載されました。

＜本研究のポイント＞

ペロブスカイト遷移金属酸化物CaCu₃Ru₄O₁₂のX線光電子分光実験データを測定し、最新の量子理論手法を用いて解析した結果、近藤効果が実現していることを実証した。

希土類化合物だけでなく、遷移金属酸化物でも近藤効果が発生することを示した。

今後、遷移金属酸化物の構成元素を制御することで、近藤効果が紡ぎ出す磁気応答や超伝導、重い電子状態などの新奇量子物性の発見が期待される。

＜研究の背景＞

遷移金属の酸化物や希土類元素（注4）からなる化合物は、電気抵抗がゼロになる超伝導体や磁性材料として、現代のテクノロジーを支えています。これらの物質の多種多様な性質には、電子が持つ磁石のような性質 -スピン- が重要な役割を果たしています。スピンは電子に内在する性質で、このスピンが規則的に配列すると、我々が普段目にする磁石が出来上がります。しかし、ある物質では温度を下げると、この電子のスピンが巨視的なスケールで消失する現象が起こります。これが、近藤効果と呼ばれる現象です。1964年に近藤淳博士により、この現象は「磁性元素と伝導電子の間の量子力学的な相互作用」に由来することが明らかにされましたが、その後の研究から、超伝導や磁性から素粒子物理学や原子核物理学まで、広範囲の物理現象の根幹と深い関わりがある現象であることがわかってきました。材料科学においては、量子情報デバイスの素子としても期待される半導体量子ドットの設計や、電子のスピンを利用して高効率デバイスの創造を目指すスピントロニクスの分野でも重要な役割を担い始めています。近藤効果は、希土類元素の化合物では多くの物質で発見されており、電子質量が異常増大する重い電子現象や超伝導などを理解・設計する基本概念として定着しています。その一方で、遷移金属の酸化物では、近藤効果の実現がはっきり裏付けられた物質はこれまで見つかっていませんでした。

＜研究内容＞

本研究では、銅（Cu）とルテニウム（Ru）の2つの遷移金属元素を含む酸化物CaCu₃Ru₄O₁₂（図2）に着目し、近藤効果の検証に挑みました。この物質に関しては、近藤効果を示唆する過去の実験結果もありますが、一方で近藤効果とは全く相寄れない実験結果も報告されていました。この状況を打破すべく、本研究グループは、高純度なCaCu₃Ru₄O₁₂のサンプルを合成し、CuとRuの電子を直接観測できるX線光電子分光の実験を行いました。国内外の高輝度放射光施設（国内のSPring-8、台湾の國家同歩輻射研究中心、韓国の浦項放射光源）を利用し、広い範囲の波長の入射X線で実験することで、CuとRuの電子それぞれを分離して観測することに成功しました。その結果、Cuの電子は、近藤効果を示す希土類化合物と類似のスペクトル（運動エネルギー）を示すことが確認できました。この新しい実験データを、独自に開発した第一原理手法（密度汎関数理論）と量子多体手法（動的平均場理論）を実装した解析パッケージにインプットすることで、CaCu₃Ru₄O₁₂の結晶内部のCuとRu電子の運動（図2）を再現できる理論モデル（多軌道ハバードモデル）が完成しました。

この理論モデルを、スーパーコンピュータ（オーストリア・ウィーンのVienna Scientific Cluster）を用いて数値的に解くと、低温下で存在するべきであるCu電子のスピンが消失する様子が我々の目の前に浮かびあがりました。詳細に解析すると、Ruの伝導電子が雲のようにCu電子のスピンを取り囲んで結合し、スピンを打ち消した（遮蔽した）多体束縛状態（注5）を形成していることがわかりました（図1、図3を参照）。さらに、この束縛状態が壊れ始める温度、すなわちCuのスピン（局在モーメント）が見え始める近藤温度と呼ばれる特性温度が非常に高い（500K以上）ことを突き止めました。実験的にこの温度に到達するのは困難を極めますが、今回正確な理論モデルが得られたおかげで、高精度数値シミュレーションを利用して近藤温度の評価が可能になりました。これは、過去の実験で、温度を上げてもCuのスピンが現れないという近藤効果と一見矛盾する結果が得られた問題を解消する重要なポイントで、CaCu₃Ru₄O₁₂の近藤効果を決定づけるものです。

今回の解析から、四重ペロブスカイト構造（化学組成式AA’₃B₄O₁₂）の、A’部分にCuを、B部分に遍歴性の高い伝導電子を提供できる遷移金属元素（今回はルテニウム）を配置することで、近藤効果を実現できることがわかりました。今後、B部分を他の元素で置換することで、Cu電子のスピンとの伝導電子の相互作用を調整し、近藤効果の強弱（近藤温度）を制御できると考えられます。したがって、四重ペロブスカイト構造を有する遷移金属酸化物は、近藤効果が紡ぎ出す磁気応答や重い電子現象、超伝導などの現象を探索・探究する新しいプラットホームになると期待されます。

＜社会的意義、今後の予定＞

本研究により、遷移金属酸化物のCaCu₃Ru₄O₁₂で近藤効果が初めて実証されました。本研究で得られた結果は、物性物理学を中心に広範囲の物理現象の源である近藤効果を実現・探究する新たなプラットホームを提案するという学術的な意義があります。また、現在のテクノロジーを支える遷移金属を用いた材料科学の分野に、近藤効果に由来する特異な磁気・電気応答を示す物質（四重ペロブスカイト構造の遷移金属酸化物）を設計・合成するための新たな指針を与えます。遷移金属の酸化物において、近藤効果が普及し、化学的制御が可能になることで、次世代量子情報デバイスやスピントロニクスにおける新しい素子やスピン伝導の制御法の開発に繋がると考えられ、今後の研究が期待されます。

＜発表雑誌＞

本研究の成果は、米国物理学会が刊行する学術雑誌「Physical Review X」にて1月27日（日本時間）にオンライン掲載されました。

＜雑誌名＞Physical Review X

＜論文タイトル＞CaCu₃Ru₄O₁₂: A High Kondo-Temperature Transition Metal Oxide

＜著者＞播木敦、加瀬林啓人（大阪府立大学）、溝川貴司（早稲田大学）、島川祐一、菅野聡（京都大学）、田中新（広島大学）、Liu Hao Tjeng, Takegami Daisuke, Chun-Fu Chang, Deepa Kasinathan, Simone Altendorf, Katharina Höfer, Federico Meneghin, Andrea Marino, Junwon Seo, Dong-Hoon Lee, Gihun Ryu, Alexander Christoph Komarek （マックスプランク研究所）、Yen-Fa Liao, Ku-Ding Tsuei, Chien-Te Chen （国立シンクロトロン放射光研究所）、Chang-Yang Kuo（マックスプランク研究所、国立シンクロトロン放射光研究所）、Cheng-En Liu,（マックスプランク研究所、国立交通大学）、Chi-Nan Wu,（マックスプランク研究所、国立清華大学）、Jan Kuneš（ウィーン工科大学）、Kyung-Tae Ko, Jonghwan Kim（浦項工科大学）、 Axel Günther（アウクスブルク大学）、Stefan Ebbinghaus（マルティン・ルター大学）

＜DOI番号＞10.1103/PhysRevX.12.011017

 ＜SDGs達成への貢献＞

大阪府立大学は研究・教育活動を通じてSDGs（持続可能な開発目標）の達成に貢献をしています。本研究はSDGs17のうち、「7：エネルギーをみんなにそしてクリーンに」、「9：産業と技術革新の基盤をつくろう」等に貢献しています。

 ＜研究助成資金等＞

本研究の一部は、科学研究費助成事業（科研費）（21K13884、19H05823 and 20H00397）、研究拠点形成事業（A.先端拠点形成型）、European Research Council（No.646807-EXMAG）、Deutsche Forschungsgemeinschaft （No.320571839） and SFB 1143 （No.247310070）、 からの支援を受けて行われました。

 ＜用語解説＞

（注1）X線光電子分光

X線を物質に照射すると、アインシュタインの発見した光電効果により、光電子が物質の表面から放出されます。この光電子の運動エネルギーを精密に測定することで、物質内部の構成元素の周りを運動している電子のエネルギー状態（バンド構造）を調べることができます。これをX線光電子分光と呼びます。

（注2）近藤効果

通常の金属は温度を下げると、原子の熱振動が抑制されるため、電気抵抗が減少します。しかし、磁性を持った不純物原子（例えば、ニッケルや鉄原子）が金属の中に存在した場合、温度を下げるとある温度以下で電気抵抗が上昇に転ずる場合があります。この現象そのものは1930年代から知られていましたが、その微視的な説明は1964年に近藤淳博士によって初めて与えられ、「近藤効果」と呼ばれています。

（注3）四重ペロブスカイト遷移金属酸化物

四重ペロブスカイト遷移金属酸化物は、一般式AA’₃B₄O₁₂で表され、A’とBに遷移金属元素が入ります。Aには、アルカリ金属、アルカリ土類金属などのイオンが入ります。広く普及している従来のペロブスカイト遷移金属酸化物（一般式ABO3）と比べて、2種類の遷移金属元素が含まれ、その間の電荷やスピンの相互作用が新たな自由度として働き、多彩な物性が現れることが知られており、精力的に研究が行われています。

（注4）希土類元素

希土類元素とは、原子番号57のランタン（La）から71のルテチウム（Lu）の15元素に、原子番号21のスカンジウム（Sc）と39のイットリウム（Y）を加えた17種類の元素の総称です。現代のテクノロジーを支える様々な分野で使用されており、私たちの身の回りの光ファイバ、レーザー、磁石、光磁気ディスクの中に含まれています。

（注5）多体束縛状態

近藤効果を示す物質では、局在したスピンとその周りを運動する伝導電子のスピンが互いに反対を向いている場合には、有効的に引力相互作用が働きます。この相互作用が十分強い場合、そのエネルギースケールより十分温度を下げると、伝導電子の集団はスピンに束縛されることになります。この状態を多体束縛状態（近藤一重項）と呼びます。

New Study Suggests an Alternative Technique for Determining the True Activity of Catalysts

Researchers from Japan perform reliable estimation of the activity of water-splitting catalysts with an unconventional technique

Electrolysis of water into hydrogen and oxygen is a potential source of clean hydrogen fuel. However, the process requires efficient electrocatalysts. Unfortunately, conventional techniques often overestimate their efficiency. Now, researchers from Japan demonstrate an alternative technique for gauging the electrocatalytic performance accurately, opening doors to a smooth transition from lab-scale studies to large-scale hydrogen fuel generation and commercialization of new catalysts with no activity loss issues from overestimation of activity with transient voltammetry techniques.

Electrolysis of water or “water electrosplitting” has received a great deal of attention recently owing to its potential as a clean source of hydrogen, the oft-touted fuel of the future. However, two issues have long stood in the way: the large amount of energy lost, and the cost of electrocatalysts (catalysts used for electrolysis). Fortunately, several new kinds of electrocatalysts have made their appearance, which could potentially solve these issues.

The screening of new electrocatalysts is conventionally performed with techniques such as “linear sweep voltammetry” (LSV) and “cyclic voltammetry” (CV), which involve applying a constantly changing voltage to an electrode and monitoring the resulting current. As this current depends on the rate of oxidation or reduction occurring at the electrode, the measured current readings can be used to determine the effect of an electrocatalyst on the speed of the electrolysis reaction.

However, an obvious drawback of these techniques is that they cannot accurately record the “steady-state” response of the electrocatalyst as it does not experience a particular applied voltage long enough to do so. As a result, substantially high current readings are often recorded, which do not reflect the true catalytic activity, hindering the development of efficient electrocatalysts and promotion of the same to large-scale processes.

In a new study published in the Journal of The Electrochemical Society, Assistant Professor Sengeni Anantharaj from Waseda University, Japan, along with his collaborators Dr. Subrata Kundu from CSIR-Central Electrochemical Research Institute, India, and Prof. Suguru Noda from Waseda University have now found a way around this problem, demonstrating an alternate technique called “sampled current voltammetry” (SCV) as a more reliable indicator of electrocatalytic performance at a constant steady-state applied voltage.

“Screening catalysts accurately is just as important as developing new catalysts for all energy conversion reactions,” says Anantharaj, speaking of his motivation. “Our work has highlighted a way to make accurate measurements of electrocatalytic activity previously not possible with conventional transient techniques.”

Researchers from Waseda University, Japan, suggest an alternate technique for measuring steady-state electrocatalytic activity more reliably over conventional transient techniques, opening up a potential route to efficient hydrogen generation from water splitting.
Photo courtesy: Sengeni Anantharaj from Waseda University

Before applying the SCV technique, the researchers analyzed the errors resulting from LSV. To show the deviation in current values, they used a steady-state technique called “chronoamperometry” (CA), which is the most accurate method of all yet time consuming to measure current at constant voltages and compared it to the values obtained from LSV.

To determine the activity of electrocatalysts used in electrolysis, they measured the current readings of both the oxygen-producing and hydrogen-producing half-cell reactions. Using a stainless-steel (SS) electrode, precipitated Co(OH)₂ (cobalt hydroxide), and platinum foil as catalysts in a KOH (potassium hydroxide) solution, the researchers found that the current density readings from LSV and CA differed significantly, with the difference growing wider at higher applied voltages.

Using the same setup, they then applied the SCV technique and recorded the current densities at various fixed voltages obtained from the steady-state CA responses. “To validate the suitability of SCV, we recorded the CA responses of the SS electrode at various regularly increasing voltages for 130 seconds, within which the SS interface was able to reach a steady state,” elaborates Anantharaj.

From the sampled current readings, the researchers found negligible difference compared to the steady-state CA technique, demonstrating the reliability of the SCV in correctly determining electrocatalyst’s behavior at different voltages. Additionally, while the SCV is particularly useful in the search for a suitable electrocatalyst for water electrosplitting, it can be used to screen electrocatalysts accurately for any electrochemical reaction.

“By addressing the long-standing problem of catalyst performance loss when promoted from the lab to the practical processes, our work could speed up the worldwide adoption of large-scale hydrogen generation from electrolysis,” comments Anantharaj.

It certainly appears we’re now one step closer to the wide adaptation of hydrogen-powered future!

Reference

Authors: Sengeni Anantharaj^1,2, Subrata Kundu³ and Suguru Noda^1,2
Title of original paper: Worrisome Exaggeration of Activity of Electrocatalysts Destined for Steady-State Water Electrolysis by Polarization Curves from Transient Techniques
Journal: Journal of The Electrochemical Society
DOI: 10.1149/1945-7111/ac47ec
Latest Article Publication Date: 5 January 2022
Affiliations:
¹Department of Applied Chemistry, School of Advanced Science and Engineering, Waseda University
²Waseda Research Institute for Science and Engineering, Waseda University
³Electrochemical Process Engineering (ECE) Division, CSIR-Central Electrochemical Research Institute (CECRI), India

電極触媒の活性を評価する高精度手法を開発

発表のポイント

• 水の電気分解反応を具体的な対象として、サンプリング時間を短く設定することができる「サンプルドカレントボルタメトリー（SCV）」と呼ばれる方法を開発。
• 新たな方法は、従来の過渡応答法における過大評価問題を解決し、定常法における所要時間を短縮することができる。
• 電極触媒の活性をより高精度に評価できるため、電解槽を円滑に実用化することが可能となる。

概要

早稲田大学理工学術院総合研究所のセンゲニ アナンタラジ次席研究員および理工学術院の野田 優（のだ すぐる）教授らは、電極触媒の活性をより高精度に評価するために、一定電位間隔の短時間クロノアンペロメトリー※1に基づく新しい準定常法を開発しました。この新たな手法により、従来の過渡応答法における過大評価の問題と、従来の定常法における所要時間の長さを解決することができ、精度の高いデータを迅速に得ることができます。本手法は、水電解による水素製造や二酸化炭素の電解還元、燃料電池などの電極触媒開発に活用できます。より正確にデータを蓄積することで、これらのデバイスのより正確な設計やエネルギー変換効率の向上を支え、再生可能電力の高効率利用などを通じて次世代エネルギーの確保や低炭素化などの社会課題の解決に繋がることが期待されます。

本研究成果は、米国・電気化学会発行の『Journal of The Electrochemical Society』に、“Worrisome Exaggeration of Activity of Electrocatalysts Destined for Steady-State Water Electrolysis by Polarization Curves from Transient Techniques” として、2022年1月5日（水）にオンラインで公開されました。

上図：Pt電極を用いた1 M水酸化カリウム水溶液の水電解による水素生成反応の各手法による性能比較。時間がかかるが正確な値の得られるCA（クロノアンペロメトリー）と比べ、簡便で一般的に利用されるLSV（リニアスイープボルタンメトリー）は性能が過大評価されるが、本法（SCV）は正確な値が得られる。

（１）これまでの研究で分かっていたこと

水の電気分解によるH₂合成、N₂還元によるNH₃合成、CO₂還元によるCH₄合成などの燃料合成反応から、燃料を消費して発電する燃料電池まで、あらゆるエネルギー変換反応には電極触媒が欠かせません。これらの反応に用いられる電極触媒の活性は、従来、リニアスイープボルタンメトリー（LSV）やサイクリックボルタンメトリー（CV）^※2などの過渡応答測定で評価されてきました。これらの技術は、取り扱いが容易で迅速なものの、活性を正確に決定することができません。また、物質移動^※3によって律される反応では、電流応答は電位のスキャンレート^※4に依存するため、誤差が大きくなります。さらに、実用上はこれらの触媒は定常状態（定電流・定電位）で使用されるため、その活性は過渡応答で決定された値よりもかなり小さくなることがあります。LSVやCVで活性を過大評価する原因には、電気二重層容量、寄生反応、触媒の自己酸化還元反応^※5による電流の混入など様々なものがあります。これらの電流は、設定電位や電流を一定に保ち、界面^※6が定常状態^※7になるのを待つと、一般に観測されなくなります。例えば、クロノアンペロメトリー（CA）がその一例です。しかし、非常に時間のかかるCAを、すべての設定電位に対して行うと、何日もの時間がかかってしまいます。そこで、LSVやCVのように、電極触媒の活性を過大評価せず、CAのように時間をかけることなく、かつ活性を正確に測定できる代替手法を開発することが重要となっています。

（２）今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

本研究では、サンプルドカレントボルタメトリー（SCV）という先進的な方法を開発しました。SCVは以前からステップポテンシャルボルタメトリー （SPV）という方法名で知られていましたが、あまり使用されず、プロトコルにいくつかの曖昧な点がありました。本手法では、サンプリング時間とその反応の種類や印加電位への依存性を正確に記述しました。

（３）そのために新しく開発した手法

我々は、水の電気分解反応を具体的な対象として、サンプルドカレントボルタメトリー（SCV）と呼ばれる方法を開発しました。これは、基本的に短時間（60〜200秒）のCA測定をいくつかのステップ電位に対して行うものです。最初の数秒で、電気二重層容量と自己酸化還元反応による電流はなくなり、その後に観測される電流が目的の反応によるものになります。さらに数十秒間電位を維持することで、CAにかなり近い活性値を得ることができます。ステップ電位を定期的に上げることで、LSVやCVと同じようなボルタンメトリー電流密度-電圧曲線を、より高い精度で得ることができます。触媒の定常状態への到達の速さに応じて、サンプリング時間を短く設定することができます。

上図：Co(OH)₂電極触媒を用いた1 M水酸化カリウム水溶液の水電解による酸素生成反応の測定結果の生データ。一定時間ごとにステップ状に電位を変化させて電流密度を測定。電流密度は電位を変化させた直後に大きく上昇した後、定常に達することがわかる。適切な電位間隔で、適切な待ち時間で電流密度を測定することで、正確性と迅速性を両立できる。

（４）研究の波及効果や社会的影響

多くの電解槽は、スケールアップの際に活性が低下することが商用化の妨げになっています。LSV/CVを使用して実験室で研究された触媒のほとんどは、大規模な運用に移行して定常状態で用いるとより低い性能を示します。これは、触媒自体ではなく、触媒の性能評価方法に起因するものです。本手法は、この問題を解決し、電解槽を円滑に実用化することに貢献します。

（５）今後の課題

今回開発した新たな方法は、従来から使われているLSVやCVよりも比較的精度が高いものの、オーミックドロップ^※8の問題があります。今後は、より精度が高く、オーミックドロップの問題がない手法の開発を目指します。

（６）研究者からのコメント

電極触媒の研究開発は、水電解による水素製造、二酸化炭素の電解還元、燃料電池など、多様な分野で日々進められ、毎年数千件もの論文が報告されています。しかしCVやLSVでの評価が一般に用いられ、不正確な値が蓄積されてしまっています。より正確な値を簡易に評価する本方法により、正しいデータが蓄積され、基礎研究から社会実装までより着実に繋がり、エネルギーの有効利用や低炭素化が推進されることを願います。

（７）用語解説

※1　クロノアンペロメトリー
電位をステップ状に変化させて、各電位における電流の時間変化を測定する方法

※2　LSV / CV
印加する電位を一定の速度で変化させて、触媒の性能を評価するための分析法。

※3　物質移動律速
反応物が電極に到達する速度が全体の速度を律して反応速度を決定する状況。

※4　スキャンレート
印加電位が上昇または下降する速度。

※5　Self-redox reaction current
触媒自身の酸化や還元によって生じる電流。

※6　インターフェイス
触媒を保持する固体電極と電解液の接合部

※7　定常状態
電流がほとんど変化を示さなくなった状態

※8　オーミックドロップ
直列の抵抗により界面で発生する電位差の低下。

（８）論文情報

雑誌名：Journal of The Electrochemical Society
論文名：Worrisome Exaggeration of Activity of Electrocatalysts Destined for Steady-State Water Electrolysis by Polarization Curves from Transient Techniques
執筆者名（所属機関名）：Sengeni Anantharaj (Waseda University), Subrata Kundu (CSIR -Central Electrochemical Research Institute), and Suguru Noda (Waseda University)
オンライン掲載日時：2022年１月５日（水）
掲載URL：https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/ac47ec/meta
DOI：10.1149/1945-7111/ac47ec

演題：GPCRのモデルとしてのロドプシン活性化の構造・機能研究

 

日時：2022年2月21日(月)14：00－16：00

 

会場：早稲田大学　先端生命医科学センター　セミナールーム３

または　Zoomによるオンライン参加

※コロナの状況によりオンラインのみとなる可能性あり

 

講師：木股　直規（東京大学　理学系研究科特任助教）

 

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法：入場無料

直接会場（早稲田大学　先端生命医科学センター　セミナールーム３）へお越しください。

※Zoomにて参加ご希望の方はメールにて前日までに[email protected]まで事前連絡してください。

参加のためのZoom 情報をご連絡します。

 

主催：先進理工学部　電気・情報生命工学科

 

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL：03-5286-3000

量子アニーリングマシンで大規模な問題を解法するための技術を開発

発表のポイント

現状のイジングマシンは、ハードウエアの制約により、入力可能な問題規模が制限されていた

本研究では、最適性を失わずに大規模な組み合わせ最適化問題を小さな問題に分割する条件を解明し、さらに、解法可能な問題規模に小さくし繰り返し解法するアルゴリズムを開発した

本技術により、イジングマシンを使った現実世界の組み合わせ最適化問題の活用事例や活用範囲を広げることが期待できる

量子アニーリングマシン^※1（イジングマシン^※2）は、ハードウエア上の制約により、入力可能な問題規模が制限されていました。これを解消するため、早稲田大学グリーン・コンピューティング・システム研究機構（東京都新宿区、機構長　木村啓二）客員次席研究員の跡部悠太（あとべ ゆうた）氏、多和田雅師（たわだ まさし）研究院講師、同大学理工学術院の戸川望（とがわ のぞむ）教授らの研究グループは、最適性を失わずに大規模な問題を小さな問題に分割する条件をこのたび解明しました。さらにこれにもとづき、本研究グループは、小さな問題を繰り返し解法することで、量子アニーリングマシンやイジングマシンで大規模な問題を解法する技術を開発しました。

本研究成果は、米国のIEEE Computer Societyが発行する『IEEE Transactions on Computers』online版（Early Access）にPreprintとして2021年12月28日（火）（現地時間）に掲載されました。
論文名：Hybrid Annealing Method based on subQUBO Model Extraction with Multiple Solution Instances

（１）　これまでの研究で分かっていたこと（科学史的・歴史的な背景など）

現実世界のあらゆるところに存在する組合せ最適化問題^※3は大規模になるほど、従来型のコンピュータで最適解を得ることが困難になるため、様々な解法が研究されています。中でも近年、量子アニーリングマシンをはじめとしたイジングマシンと呼ばれる新しいタイプの計算機が注目されています。イジングマシンは組合せ最適化問題の答えを得るのに特化した計算機です。イジングマシンは国内外で研究開発され、一般のユーザーもクラウド上で使用できる段階になっています（図1）。

しかし、イジングマシンを活用するにはまだ課題が多くあります。特に、イジングマシンはハードウエア上の制約で、入力可能な問題規模制限されており、現状のイジングマシンでは大規模な問題を直接解法することは非常に困難でした。既存研究では、発見的な手法^※4によって、大規模な問題を小さな問題に分割してイジングマシンで解法していましたが、分割された問題の答えが、元の大規模な問題の答えと一致しているか理論的な条件は未解明のままでした。

（２）　今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

今回の研究では、量子アニーリングマシンをはじめとするイジングマシンに入力可能な問題規模の制限を解決するために、まず、最適性を失わずに大規模な組合せ最適化問題を小さな問題に分割する条件を解明しました。これにより、イジングマシンによって、条件を満足した小さな問題を解法すれば、元の大規模な問題の答えと一致することを証明しました。また、大規模な問題からうまくこのような条件を抽出し、元の大規模な問題を、イジングマシンで解法可能な問題規模まで小さくして、繰り返し解法する新たなアルゴリズムを提案しました。提案したアルゴリズムは、理論的な裏付けのもとに、大規模な問題を小さな問題に分割して解法するため、従来技術に比較して、精度よく元の大規模な問題を解法することが可能となります。

 （３）　そのために新しく開発した手法

大規模な組合せ最適化問題の一部を抽出して、イジングマシンに入力可能な規模の小さな問題を作り、イジングマシンで解法することを考えます。この際、どのように小さな問題を作るかがポイントとなります。大規模な組合せ最適化問題の答えは複数のビットの集まりによって構成されます。ビットの集まりのうち「解として正しくないビット列」をすべて含むように規模の小さな問題を作り、イジングマシンで解法すれば、「解として正しくないビット列」はすべて「解として正しいビット列」に正しく修正されることが理論的に分かりました。このとき、規模の小さな問題が「正しくないビット列」をすべて含んでいれば、「正しいビット列」が含まれていても構いません。

つまり、ある程度大雑把にすべての「正しくないビット列」を含むように小さな問題を作り、これを繰り返しイジングマシンで解法すれば良いわけです。

そこで、従来の古典計算機を使って、問題の答えの候補を複数個準備します。これら候補は必ずしも正しい答えではありませんが、複数の答えのビット列を見比べて、多くの候補でビット列が一致しているものは「正しいビット列」であり、答えが一致しておらずばらついているものは「正しくないビット列」だと考えることができます。「正しくないビット列」だけを抽出して、実イジングマシンで解法することで、最終的に全体として正しい答えを得ることができます。

実際に、実イジングマシンで解法することができる問題規模に対して、8倍～32倍の大きな問題について、提案手法と従来手法（ランダム手法^※5とqbsolv手法^※6）とを比較した結果、本手法で得られる答えの精度が高いことが分かりました（図2）。

（４）　研究の波及効果や社会的影響

従来イジングマシンではハードウエア制約によって利用可能なビット数が制限されていたために規模の大きな問題は解くことが困難でしたが、本手法を使うことによってイジングマシンで計算することができます。そのため、量子アニーリングマシンを含むイジングマシンを使った、現実世界の組合せ最適化問題への活用事例を広げることができると考えられます。また、本研究は古典計算機とイジングマシンとを併用して問題を解法する取り組みでもあり、イジングマシンの活用範囲が大幅に広がります。

（５）　今後の課題

本研究では、イジングマシンに入力可能な問題規模の制限を解消することに成功しています。今後は、さらに実世界に見られるさまざまな問題に本手法を適用し、有効性を検証していく必要があります。

（６）　研究者のコメント

本研究ではイジングマシンを活用するために重要なハードウェアの制限を解決する手法を開発しました。イジングマシンを活用した事例は増えつつありますが、本研究で開発した手法を使って、今まで活用できなかった事例が増えることを期待します。

（７）　用語解説

※1　量子アニーリングマシン

組合せ最適化問題を高速に解決すると期待されるマシン。量子効果により量子重ね合わせ状態を実現させ、それを初期状態として用意し、徐々に量子効果を弱める。同時に組合せ最適化問題を表現するイジングモデルの効果を強めることにより、イジングモデルの安定状態を実現させるという機構で動作する。

※2　イジングマシン

組合せ最適化問題をイジングモデルで表現し、組合せ最適化問題を解決するマシンの総称。上記、量子アニーリングマシンはイジングマシンの一種である。

※3　組合せ最適化問題

膨大な選択肢の中から､与えられた制約を満たしつつ、関数の最小値（または最大値）をとる選択肢を求める問題の総称。

※4　発見的な手法

ある問題を解法する手法は、問題の最適解を厳密に算出する手法や、おそらく良さそうと考えられる手続きを組み合わせる手法がある。発見的な手法とは後者の手法を表し、必ずしも元の問題の最適化が得られるとは限らない。

※5　ランダム手法

大規模な問題から、ランダムに小規模の問題を繰り返し抽出し、イジングマシンで解法する手法。

※6　qbsolv手法

D-Wave System社が提供するソフトウェア開発キットに含まれる手法で、発見的な手法に基づき、大規模な問題から小規模の問題を繰り返し抽出し、イジングマシンで解法する手法。

（８）　論文情報

雑誌名：IEEE Transactions on Computers
論文名：Hybrid Annealing Method based on subQUBO Model Extraction with Multiple Solution Instances
執筆者名（所属機関名）：Yuta Atobe（早稲田大学）, Masashi Tawada（早稲田大学）, Nozomu Togawa（早稲田大学）　※　所属は論文投稿時
掲載日（現地時間）：2021年12月28日
掲載URL：https://ieeexplore.ieee.org/document/9664360
DOI：10.1109/TC.2021.3138629

（９）　研究助成（外部資金による助成を受けた研究実施の場合）

研究費名・研究課題名：国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）「高効率・高速処理を可能とするＡＩチップ・次世代コンピューティングの技術開発／次世代コンピューティング技術の開発／量子計算及びイジング計算システムの総合型研究開発」
研究代表者名：川畑史郎（産業技術総合研究所新原理コンピューティング研究センター・副研究センター長）
早稲田大学における研究代表者名：理工学術院　教授　戸川望

芳香環にフッ素を導入しながら変形する
有機フッ素化合物の新規合成法の開発に成功

発表のポイント

• 芳香環にフッ素を導入しながらその環を開き、変形する反応の開発に成功。
• 様々な窒素を含む芳香環から第三級フッ素化合物の合成を実現。
• 医農薬、材料科学の分野で活躍する有機フッ素化合物の新規合成法を提供。

早稲田大学理工学術院の山口潤一郎（やまぐちじゅんいちろう）教授らの研究グループは、芳香環 （※1）にフッ素原子を導入しながら環を開き、変形する「芳香環開環型フッ素化反応」の開発に成功しました。

有機化合物にフッ素原子を導入すると、化学的・物理学的にも大きく性質を変化させることができることから、その導入法が盛んに研究されています。例えば、有機化合物に数多ある芳香環（芳香族化合物）にフッ素を導入する方法は様々です。しかし、芳香環の水素や置換基をフッ素に置き換えるものが多く、芳香環自体の形を変えるようなフッ素導入反応はほとんど知られていませんでした。もし、芳香環をフッ素導入と同時に変形することができれば、より多様な有機フッ素化合物を創出することができます。

今回の研究では、窒素を含む芳香環にフッ素化剤を作用させることで、フッ素を導入しながら、芳香環の結合（窒素―窒素結合）を切断し、有機フッ素化合物を合成することに成功しました。得られる有機フッ素化合物は元の構造からは全く異なる第三級フッ素化合物（※2）であり新形式の反応です。

今回の研究により、医薬品などを含む40種類以上の化合物を様々な第三級フッ素化合物に変換できました。また、芳香族化合物を原料とした、新たな有機フッ素化合物の合成法を提供することとなります。本研究成果は、複雑化合物の合成終盤での適用も可能であり、創薬化学研究における新規医薬品候補化合物の合成などへの応用が期待できます。

本研究成果は、英国王立化学会誌『Chemical Science』のオンライン版に2021年12月21日（現地時間）に掲載されました。

論文名：Ring-Opening Fluorination of Bicyclic Azaarenes （二環式アザアレーンの開環型フッ素化反応）

(1)これまでの研究で分かっていたこと

有機フッ素化合物は、撥水性・耐熱性の高い有機材料や、脂溶性や代謝安定性に優れた医農薬の原料として多用される注目物質です。そのため、現在世界中で多くの有機化合物へのフッ素導入反応が開発されています。例えば、有機化合物の代表格である芳香環（芳香族化合物）にフッ素を導入する手法も、日夜新しい方法が報告されています。しかし、芳香環の水素や置換基をフッ素に置き換えるものが多く、芳香環自体の形を変えるようなフッ素導入反応はほとんど知られていませんでした。もし、芳香環の形をフッ素導入と同時に変形することができれば、膨大に存在する芳香環から、より多様な有機フッ素化合物を創出することができます。

(2)今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

早稲田大学の研究グループ（先進理工学研究科博士後期課程3年小松田雅晃さん、理工学術院山口潤一郎教授ら）と武田薬品工業株式会社の研究グループは共同で、芳香環にフッ素を導入しながら形を変形し、第三級フッ素化合物を合成する新たな手法の開発に挑戦しました。

今回開発した開環型フッ素化反応により40種類以上の窒素を含む芳香族化合物を様々な第三級フッ素化合物に変換可能であることが分かりました。複雑な構造を有する医薬品誘導体をフッ素化することも可能であり、新たな含フッ素医薬品誘導体を簡便に提供することにも成功しています。機構解明研究により、この新反応の反応機構が明らかとなりました。また、本反応をキラル（※3）フッ素化合物の合成法へと展開することにも成功しました。

(3)そのために新しく開発した手法

今回、芳香族化合物の開環型フッ素化の開発にあたり、二環式アザアレーンという窒素―窒素結合を含む芳香環に着目しました。二環式アザアレーンに求電子的フッ素化剤（※4）を作用させることで、フッ素化に続き、窒素―窒素結合が切断され、芳香環の開環が進行すると考えました。反応条件の精査の結果、求電子的フッ素化剤として市販のSelectfluor^®を用いることで、種々の二環式アザアレーンの芳香環開環型フッ素化が進行し、第三級フッ素化合物を与えることを発見しました。また、反応機構解明研究により反応はフッ素化のみが進行した中間体を経由することを確認しました。さらに、フッ素導入後のフッ素化剤が窒素―窒素結合を切断する役割（塩基）も担っていることを明らかにしました。

(4)研究の波及効果や社会的影響

今回開発した開環型フッ素化は、芳香族化合物を求核剤（※5）とした求電子的フッ素化反応に分類されるものの、生成物として第三級フッ素化合物を与える新形式の反応です。市販のフッ素化剤を混ぜて、加熱するという、簡便かつ穏和という、工業的にも実施可能と思われる条件で反応が進行することも特徴です。そのため、複雑化合物の合成終盤での適用も可能であり、創薬化学研究における新規医薬品候補化合物の合成などへの応用が期待できます。

(5)今後の課題

非常にユニークな方法であるものの、適用できるアザアレーンが限られていることや、導入可能な官能基がフッ素のみであることが課題です。今後、より綿密な反応設計や条件の検討により、これらの課題を克服したいと考えています。

(6)研究者のコメント

これまで汎用性の高い芳香族化合物を有用化合物に変換する新奇反応の開発を精力的に行ってきました。本研究では、これまで類を見ない芳香族化合物の骨格を変化させながら有用なフッ素原子を導入する新反応の開発に成功しました。早稲田大学・武田薬品工業、両研究グループの綿密な共同研究により、この難易度の高い化学反応の開発を達成することができました。今後も、本研究で得た知見を活かし様々な芳香族化合物の新奇変換反応を開発していきたいと思います。

(7)用語解説

※1　芳香環・芳香族化合物
環状の不飽和有機化合物。容易に合成が可能。化学的に安定である。窒素や、酸素、硫黄（ヘテロ原子）などの入った芳香族化合物もある（ヘテロ芳香環）。

※2　第三級フッ素化合物
フッ素が直接結合している炭素原子に３個の炭素原子が結合している化合物。

※3　キラル
右手と左手の関係ように、ある分子とその鏡像を重ね合わせることができないときその分子をキラルという。

※4　求電子的フッ素化剤
電子が不足しているフッ素（F⁺）と有機化合物が反応してフッ素化合物を与える反応試薬。

※5　求核剤
電子が不足している化学種（求電子剤）と反応し電子を受け渡すことで化学結合を形成する化学種。

(8)論文情報

掲載雑誌：Chemical Science（英国王立化学会誌）
論文名：Ring-Opening Fluorination of Bicyclic Azaarenes（二環式アザアレーンの開環型フッ素化反応）
著者：Masaaki Komatsuda, Ayane Suto, Hiroki Kondo Jr., Hiroyuki Takada, Kenta Kato, Bunnai Saito, and Junichiro Yamaguchi（小松田雅晃¹、須藤絢音¹、近藤裕貴¹、高田浩行²、加藤健太¹、齊藤文内²、山口潤一郎¹）
所属：1．早稲田大学　2．武田薬品工業
掲載日（現地時間）：2021年12月21日
DOI: 10.1039/D1SC06273E
掲載URL：https://doi.org/10.1039/D1SC06273E

(9)研究助成

本研究は、科研費（挑戦的研究萌芽、基盤研究（B）、学術変革領域研究（A）、特別研究員奨励費）、ERATO、早稲田大学アーリーバードプログラムによる支援を受けて行われました。

2021年度CRESTに本学研究者1名が採択、新たな生命システムの発見を目指す

2021年9月21日、国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）の2021年度戦略的創造研究推進事業（CREST）の新規研究課題について、本学から1件「ありえた生体高分子ネットワークを創出するBioDOSの構築（木賀大介 理工学術院 教授）」の採択が決定しました。当該研究領域には69件の応募があり、うち6件が採択され、そのうちの1件となります。
木賀教授の提案は、深層学習AIと論理推論AIを組み合わせたBio Discovery OS(BioDOS)を構築することで、人間の認知バイアスを超えた「ありえた生命のかたち」を設計することを目指すものです。さらに、設計した遺伝子ネットワークが、種々の生物や培養条件で動作可能であることを示すことで、これまでの合成生物学と伝統的な生物学の良い関係と同様に、自然界の改めての探索による新たな生命システムの発見につながることが期待されます。

採択課題

【研究代表者】木賀 大介（理工学術院 教授）
【研究領域】データ駆動・ＡＩ駆動を中心としたデジタルトランスフォーメーションによる生命科学研究の革新
【研究課題名】ありえた生体高分子ネットワークを創出するBioDOSの構築

 

JST戦略的創造研究推進事業（CREST）とは

国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）が所管する事業のひとつで、国が定める戦略目標の達成に向けて、研究総括の運営のもと課題達成型基礎研究を推進し、科学技術イノベーションを生み出す革新的技術シーズを創出するためのチーム型研究です。研究代表者は、自らが立案した研究構想の実現に向けて、産・学・官の研究者からなる複数の共同研究グループで構成される最適な研究チームを編成し、研究課題を実施します。

 

接着剤いらずの超柔軟導電接合

フレキシブルエレクトロニクスの集積化に貢献

理化学研究所（理研）開拓研究本部染谷薄膜素子研究室の福田憲二郎専任研究員（創発物性科学研究センター創発ソフトシステム研究チーム専任研究員）、染谷隆夫主任研究員（同チームリーダー、東京大学大学院工学系研究科教授）、早稲田大学大学院創造理工学研究科の梅津信二郎教授らの共同研究グループ^※は、接着剤を用いずに高分子フィルム上に成膜された金同士を電気的に直接接続する技術の開発に成功しました。

本研究成果は、次世代のウェアラブルデバイスにおける配線技術や、フレキシブルエレクトロニクスの集積化に向けた、フレキシブルな実装技術への応用に貢献すると期待できます。

今回、共同研究グループは、水蒸気プラズマ^[1]を用いる新しい接合技術（Water Vapor Plasma-assisted Bonding；WVPAB）を開発しました。この技術を用いると、異なる薄膜基板上の金電極同士を配線する際に、接着剤を介さず、電極同士を直接接合できます。接着剤を一切用いないため、接合部の最小曲げ半径は0.5 mm未満と非常に柔軟です。金属同士の直接接合であるため、WVPAB接合部の抵抗は0.07Ωと極めて低抵抗を達成しました。機械的耐久性も1万回の曲げで電気抵抗の変化が1％未満と優れており、かつ熱安定性にも優れ、100℃で500時間加熱しても酸化による劣化は生じず、むしろ金属結合が促進されることで、電気抵抗が8％改善しました。また、別々の薄膜基板上に作製したフレキシブルな有機太陽電池^[2]と有機発光ダイオード（有機LED）^[3]を、超薄型配線フィルムを介して相互接続することにも成功し、WVPABが超薄型フレキシブルエレクトロニクスシステムに応用できることを実証しました。

本研究は、科学雑誌『Science Advances』オンライン版（12月22日付：日本時間12月23日）に掲載されました。

１．背景

近年、皮膚や洋服に貼り付けて使用する次世代ウェアラブルデバイスの実用化を目指し、センサーや電源などの高性能化・薄膜化が進んでいます。電子素子を薄膜化することで、人間の皮膚が持つ複雑な曲面に対して隙間なく密着して貼り付く次世代ウェアラブルデバイスが開発できます。このようなデバイスは、身体への装着負荷を減らし、継続的な生体モニタリングが可能です。例えば、この次世代ウェアラブルデバイスとモノのインターネット（IoT）技術を組み合わせることで、自宅療養患者や二次感染の可能性がある患者との遠隔診断が実現し、医療関係者の負担軽減および救急対応の迅速化に貢献できると考えられています。

このような生体継続モニタリングに向けたウェアラブルデバイスの実用化には、個々のセンサーや電源の高性能化とともに、複数の電子素子を集積化できる配線技術・実装技術が重要です。これらの技術には、金属のような導電性とデバイスの柔軟性を損なわない十分に低い剛性の実現、さらに、デバイスの損傷を防ぐために低温のプロセスで配線することが必要です。

しかし、従来の電子素子同士の配線方法は、導電性接着剤層を介する必要があり、その接着層の厚みによって接合部の剛性が増加するという課題がありました。十分な接着力と高導電性を実現するためには、加熱・加圧工程が必要であるため、プラスチックフィルムを用いた電子素子の配線は困難でした。一方で、表面活性化接合^[4]など従来の金属の直接接合技術は、接合面の許容表面粗さRMS^[5]が1ナノメートル（nm、1nmは10億分の1メートル）未満と非常に高い平坦性が必須であるため、フレキシブル基板上の金属同士の接合に適応することは不可能でした。

２．研究手法と成果

共同研究グループは、2マイクロメートル（μm、1μm は100万分の1 メートル）厚の高分子材料パリレン^[6]基板上に蒸着した金電極（表面粗さRMS = 約7 nm）に対して、水蒸気プラズマを照射し、大気中で金電極同士を接触させることで、金属結合が生じることを発見しました。そして、この新しい接合方法を「水蒸気プラズマ接合（WVPAB: Water Vapor Plasma-assisted Bonding）」と名付けました（図1）。

図2に、WVPABで接合した金電極の断面を走査型透過電子顕微鏡（STEM）^[7]で観察した結果を示しています。上下別々の基板上に蒸着された二つの金電極の一部がWVPABによって一体化（境界線が消失）し、強固に接合していることを確認しました。

WVPABを用いて接合した薄膜サンプルと、従来接合手法の異方導電性テープ（ACF）^[8]で接合した薄膜サンプルの接合部の柔軟性を比較したところ、ACF接合の最小曲率半径が1 mm以上であるのに対し、WVPABの最小曲率半径は0.5 mm未満でした。つまり、WVPABによって接合した薄膜には接着層がないため、優れた柔軟性を持つことを確認しました（図3）。

また、WVPABによる直接接合は機械的耐久性と、熱安定性にも優れていることを確認しました。曲げ半径2.5 mmで1万回繰り返し曲げた後でも、電気抵抗の変化は1％未満でした（図4(a)）。大気中、100℃で500時間加熱しても電気抵抗の上昇は観察されず、むしろ金属同士の結合が促進されることで電気抵抗が8％減少することを確認しました（図4(b)）。

さらに、超薄型のフレキシブルエレクトロニクスの集積化デバイスへの応用も実証しました。厚さ約3μmの超薄型有機太陽電池と超薄型有機LED、複数の超薄型配線を、WVPABにより相互接続することに成功しました（図5）。WVPABによって素子や基板に損傷は無く、実際に太陽電池に光を照射し、発電した電力で有機LEDが発光することを確認しました。この集積化デバイスは、配線や接合部を含めた全体が柔軟な超薄型のフレキシブルエレクトロニクスシステムです。

３．今後の期待

本研究によって、薄膜基板上の金電極同士を水蒸気プラズマ処理によって接合する新たな接合技術を開発しました。この技術は、大気中室温で加圧することなく、複数のフレキシブルエレクトロニクスを一つのシステムとして集積することを容易にし、従来研究の分厚い接着剤で接続されたフレキシブルエレクトロニクスシステムの柔軟性を向上させることが可能です。

本研究では金電極とパリレン基板のみを対象としましたが、この技術はプラズマ条件や接合用電極の表面粗さRMSを調整することで、幅広い素材に対応できる汎用的な集積技術となる可能性があります。次世代のウェアラブルデバイスにおけるフレキシブルな接合の実装に大きく貢献すると期待できます。

４．論文情報

タイトル：Direct gold bonding for flexible integrated electronics
著者名：Masahito Takakuwa, Kenjiro Fukuda, Tomoyuki Yokota, Daishi Inoue, Daisuke Hashizume, Shinjiro Umezu, and Takao Someya
雑誌：Science Advances
DOI：10.1126/sciadv.abl6228

５．補足説明

[1] 水蒸気プラズマ

ガス源に水を使用したプラズマ処理方法。水由来のガス雰囲気下でプラズマ処理を行うことで、処理面の還元作用が得られる。

[2] 有機太陽電池

有機半導体を光電変換層として用いた太陽電池のこと。塗布プロセスによる大量生産が適用できると同時に、安価かつ軽量で柔らかいことから次世代の太陽電池として注目を集めている。

[3] 有機発光ダイオード（有機LED）

OLEDや有機ELとも呼ばれる。有機半導体を光電変換層として用いた発光ダイオード。塗布プロセスによる大量生産が適用できると同時に、軽量で柔らかい特徴をもつ。

[4] 表面活性化接合

真空中室温で金属結合を生じさせる直接接合方法。真空中で中性子ビームやアルゴンビームエッチングを用いて接合表面に付着している有機物や酸化膜、吸着した水などを除去し、活性化エネルギーの高い状態で接合面を接触させると、常温で強固な接合を得ることが可能。

[5] 表面粗さRMS

Root-Mean-Squareの略。二乗平均粗さ。凹凸の平均線からのプロファイルの高さの偏差の二乗平均値。

[6] パリレン

高分子材料の一種。化学気層堆積法によって良質の均一薄膜が形成できる。生体適合性に優れているため、さまざまな生体・医療用途に応用されている。

[7] 走査型透過電子顕微鏡（STEM）

透過型電子顕微鏡の一種。試料組成に関するコントラストを強く反映できることから、組成情報を得たい場合、透過型電子顕微鏡よりもSTEMが優れている。また走査型のため透過型電子顕微鏡よりも厚みのある試料の測定にも向いている。STEMはScanning Transmission Electron Microscopyの略。

[8] 異方導電性テープ（ACF）

不導体である熱硬化性樹脂を接着剤として、その中に導体の粒子が分散している構造を持つ。電極と電極の間に挿入し、熱と圧力を加えることで、導体粒子を介した電気的なパスが形成されることで、導通が形成される。ACF はAnisotropic Conductive Filmの略。

共同研究グループ

理化学研究所

開拓研究本部　染谷薄膜素子研究室

専任研究員 福田 憲二郎（ふくだ けんじろう）（創発物性科学研究センター 創発ソフトシステム研究チーム 専任研究員）

主任研究員 染谷 隆夫（そめや たかお）（創発物性科学研究センター 創発ソフトシステム研究チーム チームリーダー、東京大学 大学院工学系研究科 教授）

創発物性科学研究センター

創発ソフトシステム研究チーム

研修生 髙桑 聖仁（たかくわ まさひと）（早稲田大学大学院 創造理工学研究科 総合機械工学専攻 博士課程1年）

物質評価支援チーム

チームリーダー 橋爪 大輔（はしづめ だいすけ）

専門技術員 井ノ上 大嗣（いのうえ だいし）

早稲田大学

大学院 創造理工学研究科 総合機械工学専攻
教授 梅津 信二郎（うめず しんじろう）

東京大学

大学院工学系研究科 電気系工学専攻
准教授 横田 知之（よこた ともゆき）

研究支援

本研究は、日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金新学術領域「ソフトロボット学の創成：機電・物質・生体情報の有機的融合」のうち「弾性グラディエントナノ薄膜を利用した自由変形可能な太陽電池の創成（研究代表者：福田 憲二郎）」、JSPS特別研究員奨励費「水蒸気プラズマを用いた超柔軟な導電接合技術の開発（研究代表者：髙桑聖仁）」、科学技術振興機構（JST）研究成果最適展開支援プログラム（A-STEP）「ウルトラフレキシブル有機太陽電池の開発 （研究代表者：福田憲二郎）」、早稲田大学理工学術院総合研究所若手研究者支援事業（アーリーバードプログラム）「薄膜金電極同士の直接接合によるフレキシブル配線の低接触抵抗化とノイズ増加の抑制（研究代表者：髙桑聖仁）」による支援を受けて行われました。

2021年度の創発的研究支援事業に5件が採択

国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）が募集した2021年度の創発的研究支援事業に、本学から5件の研究課題が採択されました。全国的には、応募総数2,314件に対し、259件が採択されており、採択率は約11％という結果となりました。昨年度採択の2件と合わせて7件の研究課題について、これを推進する研究者の挑戦を支援してまいります。

2021年度 採択者一覧

• 早水 桃子（理工学術院 基幹理工学部 応用数理学科　講師）
  【研究課題名】離散数学と統計科学の融合による生命科学データ解析の技術革新
• 柳谷 隆彦（理工学術院 先進理工学部 電気・情報生命工学科　准教授）
  【研究課題名】電池レス無線給電デバイス用の新規３次元配向圧電薄膜の創製
• 畠山 歓（理工学術院 先進理工学部 応用化学科　講師）
  【研究課題名】プロセスに強いMIの創出と複合材料系での実践
• 細川 正人（理工学術院 大学院先進理工学研究科 生命医科学専攻　准教授）
  【研究課題名】大規模１細胞ゲノムから設計する微生物叢の戦略的制御
• 布山 美慕（人間科学学術院 人間科学部 人間情報科学科　講師）
  【研究課題名】量子確率を用いた不定な文章理解とその効果の認知研究

 

JST創発的研究支援事業とは

2020年度に設立され、特定の課題や短期目標を設定せず、多様性と融合によって破壊的イノベーションにつながるシーズの創出を目指す「創発的研究」を推進するため、研究者がその研究に専念できる環境を確保することを含め、原則7年間（途中ステージゲート審査を挟む、最大10年間）にわたり長期的に支援する事業です。創発を促進するため、異分野研究の理解と融合研究を目的とした「創発の場」を設け、将来の発展的な研究構想を描いたり、チーム型研究の発足等に資するネットワーク構築が促されたりすることを目指します。

 

演題：アートのまちなか展開、アーキテクトの役割

日時：2022年1月19日(水)14:30-16:00

会場：オンラインにて開催

講師：山岸 綾 （一級建築士　一級建築士事務所サイクル・アーキテクツ代表）

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

参加方法： 時間になりましたら下記URLより入室して下さい。　
https://zoom.us/j/86779912186?pwd=ekhWbGNUTHdKVFJqQVZUUU0yTnovQT09
ミーティングID: 867 7991 2186
パスコード: 035764
　　　
主催：創造理工学部　建築学科　　

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

演題：芸術祭のキュレーション

日時：2022年1月19日(水)13:00-14:30

会場：オンラインにて開催

講師：飯田 志保子（学芸員 キュレーター／国際芸術祭「あいち2022」チーフ・キュレーター（学芸統括））

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

参加方法： 時間になりましたら下記URLより入室して下さい。　
https://zoom.us/j/86779912186?pwd=ekhWbGNUTHdKVFJqQVZUUU0yTnovQT09
ミーティングID: 867 7991 2186
パスコード: 035764
　　　
主催：創造理工学部　建築学科　　

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

演題：公共データベースを活用した昆虫の環境適応戦略の仕組みの解析

 

日時：2022年1月20日(木)17：00－18：30

 

会場：Zoomによるオンライン講演会

 

講師：天竺桂　弘子

（東京農工大学農学研究院生物生産科学部門 教授、早稲田大学　先進理工学研究科　共同先進健康科学専攻　客員教授）

 

対象：学部生、大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法：参加無料、事前申込制

 

事前申込先：[email protected]

「お名前」「所属」「メールアドレス」「講演会参加の目的」を明記下さい。

早稲田大学の学生の場合は、学籍番号もご記入ください。

申し込みいただいた方に、zoomアドレスをお送りします。

 

主催：先進理工学部　生命医科学科

 

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL：03-5286-3000

 

演題：Computer Vision for Innovative Humna-Computer Interaction

 

日時：2022年1月24日(月)16：20－18：30

 

会場：早稲田大学　早稲田キャンパス　１２１号館カンファレンスルーム

 

講師：小池 英樹（東京工業大学　教授）

 

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法：入場無料、直接会場へ

 

主催：先進理工学研究科　物理学及応用物理学専攻

 

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL：03-5286-3000